CN102638217B - 一种无位置传感器电机控制器参数标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无位置传感器电机控制器参数标定方法，所述标定方法的步骤二中包括：将第一绝缘栅双极型晶体管、第四绝缘栅双极型晶体管、第一电阻和电机串联接电源，且给第一绝缘栅双极型晶体管和第二绝缘栅双极型晶体管通入脉冲宽度调制脉冲，同时保持第二绝缘栅双极型晶体管下臂畅通的状态，则此时电机接入两端的电压为直流母线电压U与脉冲宽度调制占空比D的乘积，测试第一电阻得到电流I的值，通过U及I计算出电机的端电阻，再将这个阻值除以计算出定子电阻R_s，具体算法如下：本发明提供了一种不会改变电机控制器中逆变器的拓扑结构的无位置传感器电机控制器参数标定方法。

Description

一种无位置传感器电机控制器参数标定方法

技术领域：

本发明涉及的是一种电机自动控制技术领域，具体地说，是一种无位置传感器电机控制器参数标定方法。

背景技术：

近年来，随着电力电子技术、微电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电动机得以迅速的推广应用，其具有体积小，损耗低，效率高等优点，在节约能源和环境保护日益受到重视的今天，对其的研究以及控制就显得非常必要。对于永磁同步电动机的控制主要有恒压频比控制、矢量控制和直接转矩控制能方式，其中使用最广泛的当属矢量控制，所述矢量控制的基本思想是：在普通的三相交流电动机上模拟直流电机转矩的控制规律，磁场定向坐标通过矢量变换，将三相交流电动机的定子电流分解成励磁电流分量和转矩电流分量，并使这两个分量相互垂直，彼此独立，然后分别调节，以获得像直流电动机一样良好的动态特性，因此矢量控制的关键在于对定子电流幅值和空间位置的控制，最终的实施是对id，iq(在分析同步电动机的数学模型时，常采用两相同步旋转(d，q)坐标系,所述id，iq为定子电流)的控制。自1971年德国西门子公司F.Blaschke提出矢量控制方式，该控制方式就倍受青睐，然而，虽然它解决了因PMSM的非线性或者转矩与磁链的强耦合所带来的控制问题，却因为永磁同步电机参数存在时变的情形，限制了其在伺服系统中性能的提高，要想解决这个问题，最佳的方式是对永磁同步电机进行实时采样，然后根据采样得到的参数对电机控制器进行相应的调整，以改善永磁同步电机在伺服系统中的性能。

现有技术的电机控制器参数标定的方法常常为添加附加电路，采用此类方法的电机控制系统虽然能有效地解决无法辨识参数的问题，但仍存在以下问题：由于需要添加附加电路，尤其是各类传感器，便会改变电机控制器中逆变器的拓扑结构，使得电机控制系统更为繁琐。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是，提供一种不会改变电机控制器中逆变器的拓扑结构的无位置传感器电机控制器参数标定方法。

为解决上述技术问题，本发明采用这样一种无位置传感器电机控制器参数标定方法：其包括以下步骤：

步骤一，标定工具通过控制器局域网络总线向主控单片机发出标定命令；

步骤二，主控单片机收到标定命令后对电机的参数进行标定；

步骤三，标定完成后将参数通过模块存储到存储器中；

步骤四，通过通用串行总线发回给标定工具显示；

实现该标定方法的系统包括标定工具、主控单片机、驱动器、逆变器本体、逆变器的第一绝缘栅双极型晶体管、第二绝缘栅双极型晶体管、第三绝缘栅双极型晶体管、第四绝缘栅双极型晶体管、第五绝缘栅双极型晶体管、第六绝缘栅双极型晶体管、电机、第一电阻和第二电阻，电机包括a、b、c三端，电机的a端与第一绝缘栅双极型晶体管的发射极、第二绝缘栅双极型晶体管的集电极电连接，电机的b端与第五绝缘栅双极型晶体管的发射极、第六绝缘栅双极型晶体管的集电极电连接，电机的c端与第三绝缘栅双极型晶体管的发射极、第四绝缘栅双极型晶体管的集电极电连接，第一绝缘栅双极型晶体管的集电极、第三绝缘栅双极型晶体管的集电极、第五绝缘栅双极型晶体管的集电极交接于A端，第二绝缘栅双极型晶体管的发射极与第二电阻的一端电连接，第四绝缘栅双极型晶体管的发射极与第一电阻的一端电连接，第六绝缘栅双极型晶体管的发射极、第二电阻的另一端、第一电阻的另一端交接于B端；

其特征在于，所述标定方法的步骤二中包括：将第一绝缘栅双极型晶体管、第四绝缘栅双极型晶体管、第一电阻和电机串联接电源，且给第一绝缘栅双极型晶体管和第二绝缘栅双极型晶体管通入脉冲宽度调制脉冲，同时保持第二绝缘栅双极型晶体管下臂畅通的状态，则此时电机接入两端的电压为直流母线电压U与脉冲宽度调制占空比D的乘积，测试第一电阻得到电流I的值，通过U及I计算出电机的端电阻，再将这个阻值除以2计算出定子电阻R_s，具体算法如下：

$R_s=\frac{U*D-R_2*I}{2*I};$

上式中，U为直流母线电压，D为PWM占空比，I为定子中流过的电流，R₂为第一电阻。

采用以上方法后，本发明与现有技术相比，具有以下优点：本发明是提供一种利用TI公司TMS320F2810的DSP做为主控单片机的电机控制器的电机参数标定方法，主控单片机通过对逆变器绝缘栅双极型晶体管的开通和关断的控制实现对电机参数相关量的标定，可以在电机启动前对电机的参数进行测量，使系统的通用性大大提高，另一方面，采用本发明的电机控制器参数标定方法的电机控制系统不但能有效地解决无法辨识参数的问题，且无需添加附加电路，尤其是各类传感器，不会改变电机控制器中逆变器的拓扑结构，使得电机控制系统更为简单直观。

作为优选，所述标定方法的步骤二中标定定子电阻R_s后还包括：使第一绝缘栅双极型晶体管和第三绝缘栅双极型晶体管保持畅通状态，且保持电机静止，然后，使第六绝缘栅双极型晶体管保持开通一段时间，再次待电机稳定，将第六绝缘栅双极型晶体管关断，通过给定d轴绕组一个电压u_d和电流i_d，对定子d轴磁链实施在线积分，可计算出d轴电感值，具体计算方法如下：

$u_d=R_s{i}_d+L_d\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{\ωL}}_q{i}_q;$

由于本系统加在绕组上的电流很小产生的力矩不足以使电机转动，所以ω始终为零，所以上式可以简化为：

$u_d=R_s{i}_d+L_d\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}};$

$L_d=\frac{{\mathrm{d\ψ}}_d}{{\mathrm{di}}_d};$

由上述公式可得： $u_d=R_s{i}_d+\frac{{\mathrm{d\ψ}}_d\left(t\right)}{\mathrm{dt}};$

积分得： ${\mathrm{\ψ}}_d={\∫}_0^t(u_d\left(\mathrm{\τ}\right)-R_s{i}_d\left(\mathrm{\τ}\right))d_{\mathrm{\τ}};$

上式中，u_d、i_d为加在d轴绕组的电压和电流，R_s为定子电阻，L_d为d轴电感，L_q为q轴电感，i_q为加在q轴绕组的电流，ω为电机转速，ψ_d为d轴磁链；对ψ_d进行在线微分，即可求得d轴电感Ld，无需添加附加电路，利用本身电路进行q轴电感值的标定，更精确。

作为又一优选，所述标定方法的步骤二中标定定子电阻R_s后还包括：与标定d轴电感Ld类似，通过给定q轴绕组一个电压u_q和电流i_q，对定子q轴磁链实施在线积分，可计算出q轴电感值，具体计算方法如下：

$u_q=R_s{i}_q+L_q\frac{{\mathrm{di}}_q}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ωL}}_d{i}_d+{\mathrm{\ω\ψ}}_f;$

$L_q=\frac{{\mathrm{d\ψ}}_q}{{\mathrm{di}}_q};$

由上述公式可得： $u_q=R_s{i}_q+\frac{{\mathrm{d\ψ}}_q\left(t\right)}{\mathrm{dt}};$

积分得： ${\mathrm{\ψ}}_q={\∫}_0^t(u_q\left(\mathrm{\τ}\right)-R_s{i}_q\left(\mathrm{\τ}\right))d_{\mathrm{\τ}};$

上式中，u_q、i_q为加在q轴绕组的电压和电流，R_s为定子电阻，L_q为q轴电感，L_d为d轴电感，i_d为加在d轴绕组的电流，ω为电机转速，ψ_f为转子永磁体磁极的励磁磁链，ψ_q为q轴磁链；对ψ_q进行在线微分，即可求得q轴电感Lq，无需添加附加电路，利用本身电路进行q轴电感值的标定，更精确。

作为又一优选，所述标定方法的步骤二中标定定子电阻R_s后还包括：电机经过一段时间的加速，得到加速度a，测出电机的阻力f，然后让电机再次加速，求出转动惯量ω，具体计算方法如下：

F-f＝ωa；

上式中，F为电机的动力，f为阻力，a为加速度，无需添加附加电路，利用本身电路进行转动惯量ω的标定，更精确。

作为又一优选，所述标定方法的步骤二中还包括：标定定子电阻R_s前，首先通过主控单片机控制总线扩展器口通过扫描的方式查询是否有按键被按下，确定有按键按下后，定时器中断，通过键值判断系统是否工作于单片机模式，确定系统工作于单片机模式后，开始进行R的标定，设计科学合理，更安全。

附图说明：

图1是本发明一种无位置传感器电机控制器参数标定方法的装置框图。

图2是本发明一种无位置传感器电机控制器参数标定方法的逆变器与电机的连接示意图。

图3是本发明一种无位置传感器电机控制器参数标定方法的流程图。

如图所示：1、标定工具，2、主控单片机，3、驱动器，4、逆变器本体，5、第一绝缘栅双极型晶体管，6、第二绝缘栅双极型晶体管，7、第三绝缘栅双极型晶体管,8、第四绝缘栅双极型晶体管，9、第五绝缘栅双极型晶体管，10、第六绝缘栅双极型晶体管，11、电机，12、第一电阻，13、第二电阻。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的一种无位置传感器电机控制器参数标定方法，实现该标定方法的系统包括标定工具1、主控单片机2、驱动器3、逆变器本体4、逆变器的第一绝缘栅双极型晶体管5、第二绝缘栅双极型晶体管6、第三绝缘栅双极型晶体管7、第四绝缘栅双极型晶体管8、第五绝缘栅双极型晶体管9、第六绝缘栅双极型晶体管10、电机11、第一电阻12和第二电阻13，其具体步骤如下：

步骤一，标定工具1通过控制器局域网络总线向主控单片机2发出标定命令；

步骤二，主控单片机2收到标定命令后对电机11的参数进行标定；

步骤三，标定完成后将参数通过模块存储到存储器中；

步骤四，通过通用串行总线发回给标定工具1显示；

如图2所示，所述逆变器本体4、逆变器的第一绝缘栅双极型晶体管5、第二绝缘栅双极型晶体管6、第三绝缘栅双极型晶体管7、第四绝缘栅双极型晶体管8、第五绝缘栅双极型晶体管9和第六绝缘栅双极型晶体管10与电机11的连接示意图。电机11包括a、b、c三端，电机11的a端与第一绝缘栅双极型晶体管5的发射极、第二绝缘栅双极型晶体管6的集电极电连接，电机11的b端与第五绝缘栅双极型晶体管9的发射极、第六绝缘栅双极型晶体管10的集电极电连接，电机11的c端与第三绝缘栅双极型晶体管7的发射极、第四绝缘栅双极型晶体管8的集电极电连接，第一绝缘栅双极型晶体管5的集电极、第三绝缘栅双极型晶体管7的集电极、第五绝缘栅双极型晶体管9的集电极交接于A端，第二绝缘栅双极型晶体管6的发射极与第二电阻13的一端电连接，第四绝缘栅双极型晶体管8的发射极与第一电阻12的一端电连接，第六绝缘栅双极型晶体管10的发射极、第二电阻13的另一端、第一电阻12的另一端交接于B端。

当进行定子电阻R_s的标定时，将第一绝缘栅双极型晶体管5、第四绝缘栅双极型晶体管8、第一电阻12和电机11串联接电源，且给第一绝缘栅双极型晶体管5和第二绝缘栅双极型晶体管6通入脉冲宽度调制脉冲，同时保持第二绝缘栅双极型晶体管6下臂畅通的状态，则此时电机11接入两端的电压为直流母线电压U与脉冲宽度调制占空比D的乘积，测试第一电阻12得到电流I的值，通过U及I计算出电机11的端电阻，再将这个阻值除以2计算出定子电阻R_s，具体算法如下：

$R_s=\frac{U*D-R_2*I}{2*I};$

上式中，U为直流母线电压，D为PWM占空比，I为定子中流过的电流，R₂为第一电阻12。

标定定子电阻R_s后，进行d轴电感值标定时，使第一绝缘栅双极型晶体管5和第三绝缘栅双极型晶体管7保持畅通状态，且保持电机11静止，然后，使第六绝缘栅双极型晶体管10保持开通一段时间，再次待电机11稳定，将第六绝缘栅双极型晶体管10关断，通过给定d轴绕组一个电压u_d和电流i_d，对定子d轴磁链实施在线积分，可计算出d轴电感值，具体计算方法如下：

$u_d=R_s{i}_d+L_d\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{\ωL}}_q{i}_q;$

由于本系统加在绕组上的电流很小产生的力矩不足以使电机11转动，所以ω始终为零，所以上式可以简化为：

$u_d=R_s{i}_d+L_d\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}};$

$L_d=\frac{{\mathrm{d\ψ}}_d}{{\mathrm{di}}_d};$

由上述公式可得： $u_d=R_s{i}_d+\frac{{\mathrm{d\ψ}}_d\left(t\right)}{\mathrm{dt}};$

积分得： ${\mathrm{\ψ}}_d={\∫}_0^t(u_d\left(\mathrm{\τ}\right)-R_s{i}_d\left(\mathrm{\τ}\right))d_{\mathrm{\τ}};$

上式中，u_d、i_d为加在d轴绕组的电压和电流，R_s为定子电阻，L_d为d轴电感，L_q为q轴电感，i_q为加在q轴绕组的电流，ω为电机11转速，ψ_d为d轴磁链；对ψ_d进行在线微分，即可求得d轴电感Ld。

标定定子电阻R_s后，进行q轴电感值标定时，与标定d轴电感Ld类似，通过给定q轴绕组一个电压u_q和电流i_q，对定子q轴磁链实施在线积分，可计算出q轴电感值，具体计算方法如下：

$u_q=R_s{i}_q+L_q\frac{{\mathrm{di}}_q}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ωL}}_d{i}_d+{\mathrm{\ω\ψ}}_f;$

$L_q=\frac{{\mathrm{d\ψ}}_q}{{\mathrm{di}}_q};$

由上述公式可得： $u_q=R_s{i}_q+\frac{{\mathrm{d\ψ}}_q\left(t\right)}{\mathrm{dt}};$

积分得： ${\mathrm{\ψ}}_q={\∫}_0^t(u_q\left(\mathrm{\τ}\right)-R_s{i}_q\left(\mathrm{\τ}\right))d_{\mathrm{\τ}};$

上式中，u_q、i_q为加在q轴绕组的电压和电流，R_s为定子电阻，L_q为q轴电感，L_d为d轴电感，i_d为加在d轴绕组的电流，ω为电机11转速，ψ_f为转子永磁体磁极的励磁磁链，ψ_q为q轴磁链；对ψ_q进行在线微分，即可求得q轴电感Lq。

所述标定方法的步骤二中包括：电机11经过一段时间的加速，得到加速度a，测出电机11的阻力f，然后让电机11再次加速，求出转动惯量ω，具体计算方法如下：

F-f＝ωa；

上式中，F为电机的动力，f为阻力，a为加速度。

如图3所示，本发明的一种无位置传感器电机11控制器参数标定方法，具体的操作程序如下：首先通过主控单片机2控制GPIO口通过扫描的方式查询是否有按键被按下，一旦有按键被按下，就进入定时器中断，通过键值判断系统是工作于单片机模式还是工作于标定工具1模式。

如果工作于单片机模式下，就顺序的测量定子电阻R_s，d轴电感和q轴电感，在测量定子电阻R_s时，主控单片机2通过脉冲宽度调制脉冲控制逆变器本体4的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，给电机11供直流电，同时点亮状态显示灯，然后主控单片机2通过ADC采用AD采集模式1来采集采样第一电阻12上的电流值，采样数为10个，采样时间为112微秒，然后将10个采样电压求平均值，这就是采样第一电阻12上的电流值，这样可以减小误差值，再通过直流母线电压U和PWM的占空比D就可以求出一个总电压，然后就可以求出电阻，这个电阻的一半就是电机11的定子电阻R_s，断开所有开关。

然后程序进入到d轴电感的测量过程，首先主控单片机2通过PWM模块口控制逆变器本体4的IGBT的开通和闭合，使电机11转子停在d轴位置上，这是定位过程，同时点亮状态显示灯，定位结束后，主控单片机2断开上臂，然后再闭合进行测量，测量时，主控单片机2通过ADC采用AD采集模式2采集第二电阻13的电压值，采样个数为1500个，采样时间为14微秒，为了减小误差取采样点的前三分之一进行计算，对这些点做出判断，值小于第一个点和大于最后一个点的视为坏点不进行计算，然后将有效点用积分法算出d轴电感，断开所有开关。

结束d轴电感测量后程序进入到q轴电感的测量过程，q轴电感的测量不需要定位过程，因为q轴电感的测量是d轴变化到q轴的动态曲线，所以只需主控单片机2通过PWM控制逆变器本体4的IGBT，然后通过ADC采用AD采集模式3采集测试电阻上的电压值即可，采样个数为1500个，采样时间为112微秒，然后通过判断找出这些点中的最大点，最大点之前的采样点是我们需要的点，与d轴电感的数据处理方法相同，为了减小误差取采样点的前三分之一进行计算，对这些点做出判断，值小于第一个点和大于最后一个点的视为坏点不进行计算，然后将有效点用积分法算出q轴电感，然后断开所有开关。

但是对于不同的电机11，在测量时测试电阻上电压变化曲线的变化速度是不同的，如果曲线变化过快就可能出现采样的有效点过少，没有采到我们想要的点，导致计算结果误差较大，所以我们要进行一个判断，如果有效点不足150个我们要再次测量q轴电感，测量过程与上面描述的过程一样，不同的是我们采用AD测量模式4，模式4中缩短采样时间，采样时间缩短为37微秒，这样可以采到足够的点供我们进行计算，然后断开所有的开关。

所有的参数测量完毕后程序进入达到计算过程，计算出所有需要的量，然后通过I2C写入到E2PROM中，通过USB发送给标定工具1，在标定工具1界面显示出来。

如果系统工作在PC机模式下，标定工具1会通过USB模块向系统发送一组数据，根据通讯协议分析收到的数据，然后判断出系统所要进行的操作。

Claims (5)

1.一种无位置传感器电机控制器参数标定方法，其包括以下步骤： 

步骤一，标定工具通过控制器局域网络总线向主控单片机发出标定命令； 

步骤二，主控单片机收到标定命令后对电机的参数进行标定； 

步骤三，标定完成后将参数通过模块存储到存储器中； 

步骤四，通过通用串行总线发回给标定工具显示； 

实现该标定方法的系统包括标定工具、主控单片机、驱动器、逆变器本体、逆变器的第一绝缘栅双极型晶体管、第二绝缘栅双极型晶体管、第三绝缘栅双极型晶体管、第四绝缘栅双极型晶体管、第五绝缘栅双极型晶体管、第六绝缘栅双极型晶体管、电机、第一电阻和第二电阻，电机包括a、b、c三端，电机的a端与第一绝缘栅双极型晶体管的发射极、第二绝缘栅双极型晶体管的集电极电连接，电机的b端与第五绝缘栅双极型晶体管的发射极、第六绝缘栅双极型晶体管的集电极电连接，电机的c端与第三绝缘栅双极型晶体管的发射极、第四绝缘栅双极型晶体管的集电极电连接，第一绝缘栅双极型晶体管的集电极、第三绝缘栅双极型晶体管的集电极、第五绝缘栅双极型晶体管的集电极交接于A端，第二绝缘栅双极型晶体管的发射极与第二电阻的一端电连接，第四绝缘栅双极型晶体管的发射极与第一电阻的一端电连接，第六绝缘栅双极型晶体管的发射极、第二电阻的另一端、第一电阻的另一端交接于B端； 

其特征在于，所述标定方法的步骤二中包括：将第一绝缘栅双极型晶体管、第四绝缘栅双极型晶体管、第一电阻和电机串联接电源，且给第一绝缘栅双极型晶体管和第二绝缘栅双极型晶体管通入脉冲宽度调制脉冲，同时保持第二绝缘栅双极型晶体管下臂畅通的状态，则此时电机接入两端的电压为直流母线电压U与脉冲宽度调制占空比D的乘积，测试第一电阻得到电流I的值，通过U及I计算出电机的端电阻，再将这个阻值除以计算出定子电阻R_s，具体算法如下： 

上式中，U为直流母线电压，D为PWM占空比，I为定子中流过的电流，R₂为第一电阻。 

2.根据权利要求1所述的一种无位置传感器电机控制器参数标定方法，其特征在于，所述标定方法的步骤二中标定定子电阻R_s后还包括：使第一绝缘栅双极型晶体管和第三绝缘栅双极型晶体管保持畅通状态，且保持电机静止，然后，使第六绝缘栅双极型晶体管保持开通一 段时间，再次待电机稳定，将第六绝缘栅双极型晶体管关断，通过给定d轴绕组一个电压u_d和电流i_d，对定子d轴磁链实施在线积分，可计算出d轴电感值，具体计算方法如下： 

由于本系统加在绕组上的电流很小产生的力矩不足以使电机转动，所以ω始终为零，所以上式可以简化为： 

由上述公式可得：

积分得：

上式中，u_d、i_d为加在d轴绕组的电压和电流，R_s为定子电阻，L_d为d轴电感，L_q为q轴电感，i_q为加在q轴绕组的电流，ω为电机转速，ψ_d为d轴磁链；对ψ_d进行在线微分，即可求得d轴电感L_d。 

3.根据权利要求1所述的一种无位置传感器电机控制器参数标定方法，其特征在于，所述标定方法的步骤二中标定定子电阻R_s后还包括：与标定d轴电感L_d类似，通过给定q轴绕组一个电压u_q和电流i_q，对定子q轴磁链实施在线积分，可计算出q轴电感值，具体计算方法如下： 

由上述公式可得：

积分得：

上式中，u_q、i_q为加在q轴绕组的电压和电流，R_s为定子电阻，L_q为q轴电感，L_d为d轴电感，i_d为加在d轴绕组的电流，ω为电机转速，ψ_f为转子永磁体磁极的励磁磁链，ψ_q为q轴磁链；对ψ_q进行在线微分，即可求得q轴电感L_q。 

4.根据权利要求1所述的一种无位置传感器电机控制器参数标定方法，其特征在于，所述标定方法的步骤二中标定定子电阻R_s后还包括：电机经过一段时间的加速，得到加速度a，测出电机的阻力f，然后让电机再次加速，求出转动惯量ω，具体计算方法如下：F-f＝ωa；上式中，F为电机的动力，f为阻力，a为加速度。 

5.根据权利要求1所述的一种无位置传感器电机控制器参数标定方法，其特征在于，所述标定方法的步骤二中还包括：标定定子电阻R_s前，首先通过主控单片机控制总线扩展器口通过扫描的方式查询是否有按键被按下，确定有按键按下后，定时器中断，通过键值判断系统是否工作于单片机模式，确定系统工作于单片机模式后，开始进行R_s的标定。